[发明专利]一种测量构件变形应变梯度的方法与装置

权利要求书

1.一种测量构件变形应变梯度的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：选择构件表面粘贴至少两组光纤光栅传感器作为应变梯度测量单元，确保每组光纤光栅传感器的测点关于构件的横截面上下对应；

步骤二：使用光纤以串联方式连接应变梯度测量单元与数据采集发送单元，以实现应变梯度测量单元与数据采集发送单元的数据通讯；

步骤三：配置后端服务器，后端服务器内置有梯度分析软件，将配置完成的数据采集发送单元通过以太网与后端服务器连接；

步骤四：所述步骤三中的后端服务器通过以太网远程接收数据采集发送单元传输来的测量数据，操作步骤三中所述的梯度分析软件生成构件测点应变梯度图表；

步骤五：所述步骤三中的梯度分析软件对构件应变梯度变化进行实时监测，当应变梯度值大于预先设定的临界值时发出构件安全预警；

所述数据采集发送单元解调得到的反射谱波形图的理论计算过程包括以下步骤：

(1)光纤光栅应变与构件应变的关系为

ε_FBG(x)＝ηε(x) (1)

式(1)中η为应变传递因子，描述应变从构件表面传递到光纤光栅的传递效率，ε_FBG(x)为光纤光栅的应变量，ε(x)为构件的应变量；

(2)单模光纤光栅的中心波长λ_B与有效折射率n_eff及光纤光栅的栅格周期长度Λ之间满足布拉格条件：

λ_B＝2n_effΛ (2)

式(2)的微分形式可表示为：

△λ_B＝2Λ·△n_eff+2n_eff·△Λ (3)

式(3)中△λ_B为光纤光栅中心波长漂移量；

(3)当光纤光栅的栅区两端受到拉力作用时，光纤光栅的栅区各处作用力相等，光纤光栅的栅区将产生相应的轴向均匀应变ε_FBG，则光纤光栅的周期长度变化为：

△Λ＝ε_FBG·Λ (4)

对应的纤芯有效折射率变化为：

式(5)中ν为光纤光栅的泊松比，p₁₁、p₁₂为光纤光栅的弹光系数，为有效弹光系数；

(4)将式(3)两端同时除以式(2)，并将式(4)和式(5)带入，可得

式(6)中△λ_B为光纤光栅中心波长漂移量，K_ε＝1-P_e为光纤光栅的应变灵敏度系数；

(5)以光纤光栅的轴向建立x轴，光纤光栅的中点为原点，光纤光栅轴向应变ε_FBG为因变量，建立坐标系，假设光纤光栅上加载的轴向非均匀应变场为：

ε_FBG(x)＝kx+ε₀ (7)

式(7)中k为应变梯度，ε₀为光纤光栅的初始应变量，光纤光栅的栅区长度为l，则

(6)假设光纤光栅沿轴向划分若干微段，微段内受均匀应变场影响，则每个微段的应变随位置变化，其中心波长的漂移量△λ_B亦随x变化，中心波长的漂移量△λ_B最终体现为光纤光栅反射谱的带宽展宽量，带宽展宽量记为△λ_c，根据公式(6)和公式(7)可得：

△λ_c＝λ_B(1-P_e)△ε_FBG (8)

由于光纤光栅两端的应变差为：

△ε_FBG＝kl (9)

则光纤光栅在非均匀应变场ε_FBG(x)＝kx+ε₀下的理论带宽λ_c为：

λ_c＝△λ₀+klλ_B(1-P_e) (10)

式(10)中△λ₀为光纤光栅变形前的初始带宽量。